Всякий раз, когда возникает прерывание от таймера, из кванта потока вычитается 3, и так до тех пор, пока он не достигнет нуля. Частота срабатывания таймера зависит от аппаратной платформы. Например, для большинства однопроцессорных x86 систем он составляет 10мс, а на большинстве многопроцессорных x86 систем - 15мс.
В любом случае операционная система должна определить, какой поток выполнять следующим. Выбрав новый поток, операционная система переключает контекст. Эта операция заключается в сохранении параметров выполняемого потока (регистры процессора, указатели на стек ядра и пользовательский стек, указатель на адресное пространство, в котором выполняется поток и др.), и загрузке аналогичных параметров для другого потока, после чего начинается выполнение нового потока.
Планирование в Windows осуществляется на уровне потоков, а не процессов. Это кажется понятным, так как сами процессы не выполняются, а лишь предоставляют ресурсы и контекст для выполнения потоков. Поэтому при планировании потоков, система не обращает внимания на то, какому процессу они принадлежат. Например, если процесс А имеет 10 готовых к выполнению потоков, а процесс Б - два, и все 12 потоков имеют одинаковый приоритет, каждый из потоков получит 1/12 процессорного времени.
Приоритеты
В Windows существует 32 уровня приоритета, от 0 до 31. Они группируются так: 31 - 16 уровни реального времени; 15 - 1 динамические уровни; 0 - системный уровень, зарезервированный для потока обнуления страниц (zero-page thread).
При создании процесса, ему назначается один из шести классов приоритетов:
Real time class (значение24),
High class (значение13),
Above normal class (значение10),
Normal class (значение8),
Below normal class (значение6),
иIdle class (значение4).
В Windows NT/2000/XP можно посмотреть приоритет процесса в Task Manager.
Приоритет каждого потока (базовый приоритет потока) складывается из приоритета его процесса и относительного приоритета самого потока. Есть семь относительных приоритетов потоков:
Normal: такой же как и у процесса;
Above normal: +1 к приоритету процесса;
Below normal: -1;
Highest: +2;
Lowest: -2;
Time critical: устанавливает базовый приоритет потока для Real time класса в 31, для остальных классов в 15.
Idle: устанавливает базовый приоритет потока для Real time класса в 16, для остальных классов в 1.
В следующей таблице показаны приоритеты процесса, относительный и базовый приоритеты потока.
Таблица 1.6.1 Приоритеты процесса
| Приоритет потока | Класс процесса | Класс процесса | |||||
| Idle class | Below normal class | Normal class | Above normal class | High class | Real time class | ||
| 1 | Idle | Idle | Idle | Idle | Idle | ||
| 2 | Lowest | ||||||
| 3 | Below ... | ||||||
| 4 | Idle class | Normal | Lowest | ||||
| 5 | Above ... | Below ... | |||||
| 6 | Below normal class | Highest | Normal | Lowest | |||
| 7 | Above ... | Below ... | |||||
| 8 | Normal class | Highest | Normal | Lowest | |||
| 9 | Above ... | Below ... | |||||
| 10 | Above normal class | Highest | Normal | ||||
| 11 | Above ... | Lowest | |||||
| 12 | Highest | Below ... | |||||
| 13 | High class | Normal | |||||
| 14 | Above ... | ||||||
| 15 | Highest | ||||||
| 15 | Time critical | Time critical | Time critical | Time critical | Time critical | ||
| 16 | Idle | ||||||
| 17 | |||||||
| 18 | |||||||
| 19 | |||||||
| 20 | |||||||
| 21 | |||||||
| 22 | Lowest | ||||||
| 23 | Below ... | ||||||
| 24 | Real time class | Normal | |||||
| 25 | Above ... | ||||||
| 26 | Highest | ||||||
| 27 | |||||||
| 28 | |||||||
| 29 | |||||||
| 30 | |||||||
| 31 | Time critical | ||||||
Привязка к процессорам
Если операционная система выполняется на машине, где установлено более одного процессора, то по умолчанию, поток выполняется на любом доступном процессоре. Однако в некоторых случаях, набор процессоров, на которых поток может работать, может быть ограничен. Это явление называется привязкой к процессорам (processor affinity). Можно изменить привязку к процессорам программно, через Win32-функции планирования.
Память
Каждому процессу в Win32 доступно линейное 4-гигабайтное (2^32 = 4 294 967 296) виртуальное адресное пространство. Обычно верхняя половина этого пространства резервируется за операционной системой, а вторая половина доступна процессу.
Виртуальное адресное пространство процесса доступно всем потокам этого процесса. Иными словами, все потоки одного процесса выполняются в едином адресном пространстве.
С другой стороны, механизм виртуальной памяти позволяет изолировать процессы друг от друга. Потоки одного процесса не могут ссылаться на адресное пространство другого процесса.
Виртуальная память может вовсе не соответствовать структуре физической памяти. Диспетчер памяти транслирует виртуальные адреса на физические, по которым реально хранятся данные. Поскольку далеко не всякий компьютер в состоянии выделить по 4 Гбайт физической памяти на каждый процесс, используется механизм подкачки (swapping). Когда оперативной памяти не хватает, операционная система перемещает часть содержимого памяти на диск, в файл (swap file или page file), освобождая, таким образом, физическую память для других процессов. Когда поток обращается к странице виртуальной памяти, записанной на диск, диспетчер виртуальной памяти загружает эту информацию с диска обратно в память.
Создание процессов
Создание Win32 процесса осуществляется вызовом одной из таких функций, как CreateProcess, CreateProcessAsUser (для Win NT/2000) и CreateProcessWithLogonW (начиная с Win2000) и происходит в несколько этапов:
- Открывается файл образа (EXE), который будет выполняться в процессе. Если исполняемый файл не является Win32 приложением, то ищется образ поддержки (support image) для запуска этой программы. Например, если исполняется файл с расширением .bat, запускается cmd.exe и т.п.
- Создается объект Win32 "процесс".
- Создается первичный поток (стек, контекст и объект "поток").
- Подсистема Win32 уведомляется о создании нового процесса и потока.
- Начинается выполнение первичного потока.
- В контексте нового процесса и потока инициализируется адресное пространство (например, загружаются требуемые DLL) и начинается выполнение программы.
Завершение процессов
Процесс завершается если:
- Входная функция первичного потока возвратила управление.
- Один из потоков процесса вызвал функцию ExitProcess.
- Поток другого процесса вызвал функцию TerminateProcess.
Когда процесс завершается, все User- и GDI-объекты, созданные процессом, уничтожаются, объекты ядра закрываются (если их не использует другой процесс), адресное пространство процесса уничтожается.
Создание потоков
Первичный поток создается автоматически при создании процесса. Остальные потоки создаются функциями CreateThread и CreateRemoteThread (только в Win NT/2000/XP).
Завершение потоков
Поток завершается если
- Функция потока возвращает управление.
- Поток самоуничтожается, вызвав ExitThread.
- Другой поток данного или стороннего процесса вызывает TerminateThread.
- Завершается процесс, содержащий данный поток.
Объекты ядра
Эти объекты используются системой и пользовательскими приложениями для управления множеством самых разных ресурсов: процессами, потоками, файлами и т.д. Windows позволяет создавать и оперировать с несколькими типами таких объектов.
Объект ядра это, по сути, структура, созданная ядром и доступная только ему. В пользовательское приложение передается только описатель (handle) объекта, а управлять объектом ядра можно с помощью функций Win32 API.
Wait функции
Как можно приостановить работу потока? Существует много способов. Вот некоторые из них.
Функция Sleep() приостанавливает работу потока на заданное число миллисекунд. Если в качестве аргумента вы укажите 0 ms, то произойдет следующее. Поток откажется от своего кванта процессорного времени, однако тут же появится в списке потоков готовых к выполнению. Иными словами произойдет намеренное переключение потоков. (Вернее сказать, попытка переключения. Ведь следующим для выполнения потоком вполне может стать тот же самый.)
Функция WaitForSingleObject() приостанавливает выполнение потока до тех пор, пока не произойдет одно из двух событий:
- истечет таймаут ожидания;
- ожидаемый объект перейдет в сигнальное (signaled) состояние.
По возвращаемому значению можно понять, какое из двух событий произошло. Ожидать с помощью wait-функций можно большинство объектов ядра, например, объект "процесс" или "поток", чтобы определить, когда они завершат свою работу.
Функции WaitForMultipleObjects передается сразу массив объектов. Можно ожидать срабатывания сразу всех объектов или какого-то одного из них.
Синхронизация потоков
Работая параллельно, потоки совместно используют адресное пространство процесса. Также все они имеют доступ к описателям (handles) открытых в процессе объектов. А что делать, если несколько потоков одновременно обращаются к одному ресурсу или необходимо как-то упорядочить работу потоков? Для этого используют объекты синхронизации и соответствующие механизмы.
Мьютексы
Мьютексы (Mutex) это объекты ядра, которые создаются функцией CreateMutex(). Мьютекс бывает в двух состояниях - занятом и свободном. Мьютексом хорошо защищать единичный ресурс от одновременного обращения к нему разными потоками.
Семафоры
Семафор (Semaphore) создается функцией CreateSemaphore(). Он очень похож на мьютекс, только в отличие от него у семафора есть счетчик. Семафор открыт если счетчик больше 0 и закрыт, если счетчик равен 0. Семафором обычно "огораживают" наборы равнозначных ресурсов (элементов), например очередь, список и т.п.
События
События (Event), также как и мьютексы имеют два состояния - установленное и сброшенное. События бывают со сбросом вручную и с автосбросом. Когда поток дождался (wait-функция вернула управление) события с автосбросом, такое событие автоматически сбрасывается. В противном случае событие нужно сбрасывать вручную, вызвав функцию ResetEvent(). Допустим, сразу несколько потоков ожидают одного и того же события, и событие сработало. Если это было событие с автосбросом, то оно позволит работать только одному потоку (ведь сразу же после возврата из его wait-функции событие сбросится автоматически!), а остальные потоки останутся ждать. Если же это было событие со сбросом вручную, то все потоки получат управление, а событие так и останется в установленном состоянии, пока какой-нибудь поток не вызовет ResetEvent().